국내 연구진이 리튬이온 배터리를 대체할 수 있는 고속충전 고출력 하이브리드 소듐이온 배터리를 개발했다.
한국과학기술연구원(KAIST) 신소재공학과 강정구 교수연구팀은 기존보다 우수한 성능의 급속충전이 가능한 고에너지·고출력 하이브리드 소듐(Na) 이온전지를 개발했다고 11일 밝혔다.
소듐은 리튬(Li) 대비 지구상에 500배 이상 존재하기 때문에 새로운 배터리 소재로 주목받고 있다. 그러나 리튬이온 배터리에 비해 낮은 출력, 제한된 저장 특성, 긴 충전시간 등 근본적인 한계점이 있어 상용화가 어렵다.
이에 소듐이온 배터리의 한계를 극복하기 위한 하이브리드 에너지 저장시스템 연구가 최근 학계에서 활발히 이뤄지고 있다. 하이브리드 에너지 저장시스템은 배터리용 음(-)극과 축전기용 양(+)극을 결합해 높은 저장용량과 빠른 충·방전 속도를 모두 지닐 수 있는 장점을 가지고 있다.
하지만 고에너지 및 고출력 밀도의 하이브리드 전지를 구현하기 위해서 배터리용 음극의 상대적으로 느린 에너지 저장속도를 향상해야 하는 동시에 음극에 비해 상대적으로 낮은 용량을 갖는 축전기용 양극재의 에너지 저장용량을 끌어올려야 한다.
이에 연구팀은 두 가지 서로 다른 금속-유기 골격체를 활용해 하이브리드 전지에 최적화된 전극 소재 합성법을 제시했다. 우선 금속-유기 골격체에서 기인한 다공성 탄소 소재에 미세한 전기에너지 활성 물질(활물질)을 함유해 저장속도가 향상된 음극소재를 개발했다. 여기에 고용량 양극 소재를 합성했고, 이를 조합해 양극간의 에너지 저장속도 특성의 차이를 최소화하면서도 용량 균형을 최적화한 소듐이온 에너지 저장시스템을 개발했다.
연구팀은 개발된 음극과 양극을 완전셀로 구성해 고성능 하이브리드 소듐이온 에너지 저장 소자를 구현했다. 하이브리드 소듐 이온 에너지 저장 소자는 기존 상용화된 리튬이온 배터리를 뛰어넘는 에너지 밀도와 축전기의 출력 밀도 특성을 모두 가짐을 확인했으며, 차세대 에너지 저장 장치로 수 초에서 수 분 만에 급속 충전이 가능해 전기 자동차, 스마트 전자기기, 항공 장치 등에 적용할 수 있을 것으로 예상된다.
강 교수는 "전극 기준으로 247Wh/kg라는 높은 에너지 밀도를 가지며, 3만4748W/kg 수준의 고출력 밀도에 의한 급속 충전이 가능한 하이브리드 소듐 이온 에너지 저장 소자는 현 에너지 저장시스템의 한계를 극복할 수 있는 새로운 돌파구가 될 것이다ˮ라며 "전기 자동차를 포함한 모든 전자기기의 활용 범위를 확대해 적용될 수 있을 것이다ˮ고 말했다.
이번 연구결과는 에너지저장 소재 분야의 국제학술지 '에너지 스토리지 머터리얼스'에 지난 29일 게재됐다.
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